CN111601755A - 自主无人航空机及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种自主无人航空机(10)，包括机身、安装至所述机身的至少一个飞行系统(12)、适于控制所述或每个飞行系统的机载飞行控制器(18)、具有机器可读飞行控制指令的存储器存储单元、机载反馈系统，以及外部反馈系统，所述指令可由所述机载飞行控制器实施，所述机载反馈系统与所述飞行系统或每个飞行系统通信联接以向所述机载飞行控制器(18)提供实时内部飞行特性数据(18)，其中，所述机载飞行控制器(18)被布置成从外部来源接收任务参数数据、根据所述任务参数数据确定起飞前飞行计划，并基于所述实时内部飞行特性数据和实时外部飞行特性数据来动态实施所述机器可读飞行控制指令以适应所述起飞前飞行计划而控制所述或每个飞行系统。

Description

自主无人航空机及其控制方法
本发明涉及一种提供用于无人航空机的自主安全-故障操作方法，并也涉及能够执行所述方法的一种无人航空机。还提供了一种无人航空机飞行控制系统，以及一种无需连续飞行中人类输入而控制无人航空机飞行的方法。
目前，大多数无人航空机被迫在隔离的空域内操作，主要是为了确保有人驾驶飞机的安全。少数被允许进入有人驾驶空域的无人航空机往往是由政府空军利用技术来操作的，该技术允许无人驾驶飞机(通常称为无人航空机)由军事远程飞行员使用卫星通信链路与机载系统进行操作，该系统在很大程度上与有人驾驶飞机相当。
对于商业运营，由于立法问题以及无人驾驶商业操作以上的高昂费用，无人航空机没有同等的能力。
目前，商业操作仅限于小型无人航空机，即不超过20kg的重量，并限制了其最大航程和操作高度，通常只允许在用户的视觉范围内操作，且远离任何受控空域和其他空域用户。
该技术在无人航空机上的运行效率取决于远程操作员的技能。在通信中断或远程操作员的控制单元发生故障的情况下，用于恢复无人航空机本身的选择有限。在出现通信故障的情况下，无人航空机可能会自动尝试返回其起飞位置。在发生推进故障的情况下，如果适当地进行了配备工作并对其进行了编程，则无人航空机可能会切断推进系统的电源并部署降落伞。尽管这可以防止无人航空机受到灾难性破坏，但仍然无法控制无人航空机的着陆目的地，且仍然有可能对无人航空机或第三方造成一定的损害。如果没有熟练的操作员在场，无人航空机将无法控制其下降。
许多无人航空机具有自动驾驶或自动巡航控制功能。然而，这允许稳定的飞行条件，且不适用于响应性或动态飞行控制。
本发明旨在提供一种能够为无人航空机提供更高程度的自主权且同时在发生故障时能够保持足够安全水平的系统。
根据本发明的第一方面，提供了一种向无人航空机提供自动正常-故障操作的方法，所述方法包括以下步骤：a]获得实时内部飞行特性数据，所述实时内部飞行特性数据指示所述无人航空机的至少一个飞行系统；b]获得实时外部飞行特性数据，所述实时外部飞行特性数据指示位于所述无人航空机外部的飞行相关参数；c]基于所述实时外部飞行特性数据来使用所述无人航空机的机载飞行控制器确定用于所述无人航空机的多个不同的正常-故障操作；d]响应于所述实时外部飞行特性数据的变化而更新所述多个不同的正常-故障操作；e]基于所述实时内部飞行特性数据来确定可触发的正常-故障状况；以及f]在触发了所述正常-故障状况的情况下，根据所述实时外部飞行特性数据和所述机载飞行控制器的机器可读飞行控制指令来选择和实施所述无人航空机的所述多个不同的正常-故障操作中的一个正常-故障操作。
允许在商业控制空域中操作的无人航空机的主要障碍之一是对地面人员的危险。在可能存在远程操作员的地方可缓解严重故障，但是控制选项仍然受到限制。通过提供一种在飞行期间无人航空机能够连续评估其正常-故障操作选择的机制，可快速评估地面的风险，因此可采取适当的措施来减少和/或消除所述风险。潜在地，无人航空机的这种操作可允许进行商业操作，并有可能提高冲突地区无人航空机的军事能力。
优选地，所述至少一个飞行系统可包括以下系统中的至少一个系统：推力控制系统、电梯控制系统、方向控制系统、导航控制系统和通信系统。可从中获取有关无人航空机状态信息的飞行系统的数量越多，可准确执行任何正常-故障操作的确定的可能性就越大。因此，更高水平的反馈反过来可改善所述无人航空机的整体安全性。
优选地，所述飞行相关参数可包括以下参数中的至少一项参数：空中交通管制通信、空域控制数据、环境信息数据、任务参数数据、碰撞预测数据、安全着陆信息数据、地理信息数据和有效载荷信息数据。类似地，可解释的外部因素越多，所述无人航空机拥有必要信息来确定任何给定的正常-故障操作是否可行的机会就越大，并因而更能够在适当的时候进行实施。
可选地，所述多个正常-故障操作可包括：指示第一安全着陆状况的第一正常-故障操作、指示第二安全着陆状况的第二正常-故障操作，以及在所述至少一个飞行系统出现灾难性故障的情况下指示安全着陆状况的第三正常-故障操作；所述机载飞行控制器具有排序电路，所述排序电路用于在步骤f]中优先选择和实施所述第一、第二和第三正常-故障操作。
在步骤e]中，如果触发了所述正常-故障状况，则所述无人航空机可动态实施所述机器可读飞行控制指令以控制所述至少一个飞行系统来实施所述第一、第二和第三正常-故障操作中优先选择的一个正常-故障操作。通过提供一系列可能的正常-故障操作(至少其中一个操作是严重故障状况)来考虑，所述无人航空机被迫在确定行动方案之前考虑可用的选择，这样，在发生故障的情况下，如果可找到危害较小的替代方案，则始终可重新考虑正常-故障操作。
此外，在步骤f]中，所述选择的正常-故障状况可由所述无人航空机的远程用户覆写。由于远程操作员可能会提高生存率和/或降低对地面人员或财产造成损害的风险，所以允许用户在出现故障情况下覆写所述无人航空机的功能是很有用的。
根据本发明的一个方面，提供一种自主无人航空机，所述自主无人航空机包括机身、安装至所述机身的至少一个飞行系统、适于控制所述或每个飞行系统的机载飞行控制器、具有机器可读飞行控制指令的存储器存储单元、机载反馈系统、导航控制系统以及外部反馈系统，所述指令可由所述机载飞行控制器实施，所述机载反馈系统与所述飞行系统或每个飞行系统通信联接以向所述机载飞行控制器提供实时内部飞行特性数据，所述导航控制系统包括多个不同的导航传感器，所述外部反馈系统适于从所述机载飞行控制器接收并向所述机载飞行控制器提供实时外部飞行特性数据，所述外部反馈系统包括用于确定实时外部诶下特性数据的至少一个机载传感器，其中，所述机载飞行控制器被布置成从外部来源接收任务参数数据、根据所述任务参数数据和所述导航控制系统确定起飞前飞行计划，并基于所述实时内部飞行特性数据和实时外部飞行特性数据来动态实施所述机器可读飞行控制指令以适应所述起飞前飞行计划而控制所述或每个飞行系统，并且其中，所述机载飞行控制器还包括冲突解决电路，适于响应于对潜在冲突的检测而同时计算出多个飞行计划修正方案，所述冲突解决电路优先选择和实施所述多个飞行计划修正方案中的一个飞行计划修正方案。
提供能够动态修改其在飞行中的飞行计划以确保其能够解决可能发生的冲突的无人航空机，从而为这种无人航空机的自主性迈出了重要的一步。通过消除对所述无人航空机的恒定远程操作者的需求，可大大增强所述无人航空机的效用，特别是对于商业操作。不仅可从一组可能的正常-故障情况中进行无人空中选择，而且还可响应于确定特定的冲突来确定和实施一组可能的冲突解决方案。这也使得所述无人航空机能够就避免冲突的最安全选择而做出明智的决策。
优选地，所述至少一个飞行系统可包括以下系统中的至少一个系统：推力控制系统、电梯控制系统、方向控制系统、导航控制系统和通信系统。
如果提供所述通信系统，所述机载飞行控制器可包括通信验证电路，用于验证到所述自主无人航空机的输入通信信号的真实性。所述通信验证电路包括以下标识符中的至少一个标识符：地理验证标识符和飞行阶段验证标识符。
通过提供一种可验证与所述无人航空机的传入通信的机制，大大降低了所述无人航空机受到敌意接管的可能性。可以将其与所述预期飞行计划联系，以更智能地确定是否已收到敌对通信。
优选地，所述多个不同的导航传感器可包括至少一个卫星导航传感器和至少一个非卫星导航传感器。所述无人航空机机载导航系统的多样化可用来保护所述无人航空机免受干扰攻击，例如所述干扰可使一种导航形式比另一种导航形式中断。所述无人航空机通常将需要准确地知道其位置以便自主地行动，且这种多样化有助于确保位置信息不会丢失。
此外，所述实时外部飞行特性数据可指示一个或多个飞行相关参数，所述飞行相关参数包括以下参数中的至少一项参数：空中交通管制通信、空域控制数据、环境信息数据、任务参数数据、碰撞预测数据、安全着陆信息数据、地理信息数据和有效载荷信息数据。
可选地，所述任务参数数据可包括以下数据中的至少一项数据：有效载荷信息数据、定位目标、指定目标和航路点信息数据。在一个优选配置中，还可根据初始内部飞行特性数据和/或初始外部飞行特性数据确定所述飞行前飞行计划。
优选地，还可根据预定默认飞行计划信息数据确定所述飞行前飞行计划。此外，所述预定默认飞行计划信息数据可包括以下数据中的至少一项：地理信息数据、空域信息数据和预组织空域限制信息数据。不需要仅仅根据地面控制提供的预定飞行计划来形成所述起飞前飞行计划。机载信息(例如重量和燃料容量)可能与所述无人航空机的操作有关，天气情况也可能与之相关。
所述自主无人航空机还可包括排序电路，所述排序电路用于优先选择和实施多个正常-故障操作中的一种。在所述无人航空机飞行过程中连续对一个或多个正常-故障操作进行排序的能力可实时评估关键系统故障时的风险评估，因此有希望地避免在地面上对人员或财产造成最大危险，即所述无人航空机在常规操作期间意外坠毁。然后，所述无人航空机能够采取行动，通过修改其自己的飞行计划来减轻任何潜在的风险。
所述或每个机载传感器自身可包括以下器件中的至少一个：摄像头、激光传感器、接近传感器、自动相关监视–广播(ADS-B)传感器和卫星导航传感器。提供所述无人航空机的机载传感器确保了将避免飞行中冲突的必要信息提供给所述机载飞行控制器。这允许所述无人航空机以合规的方式在任何强加的空域限制内操作。
优选地，所述机载飞行控制器可基于所述起飞前飞行计划和所述多个飞行计划修正方案生成3D飞行计划模型。优选地，可基于来自所述多个不同的导航传感器和所述或每个机载传感器及/或一个或多个数据库的混合输入确定所述3D飞行计划模型。优选地，所述3D飞行计划模型可包括飞行环境模型和飞行轨迹模型。
可选地，所述冲突解决电路可利用机器学习加权结果决策算法来对所述多个飞行计划修正方案中的一个飞行计划修正方案进行优先级排序和选择。
根据本发明的第三方面，提供了一种无人航空机飞行控制系统，所述无人航空机飞行控制系统包括：优选根据本发明的第二方面的至少一个自主无人航空机，以及远离所述或每个自主无人航空机的飞行管理服务器，所述飞行管理服务器无线通信联接至所述外部反馈系统，使得所述飞行管理服务器可提供至少一部分所述实时外部飞行特性数据。
通过提供能够自身动态解决冲突的无人航空机，没有人工的地面控制的可能性也成为可能。这在无人航空机技术的自动化方面，尤其是在商业领域的应用方面，是一项重大的进步。
根据本发明的第四方面，提供了一种无需连续飞行中人类输入而控制无人航空机飞行的方法，所述方法包括以下步骤：a]获得实时内部飞行特性数据，所述实时内部飞行特性数据指示所述无人航空机的至少一个飞行系统；b]获得实时外部飞行特性数据，所述实时外部飞行特性数据指示位于所述无人航空机外部的飞行相关参数；c]所述无人航空机接收任务参数数据，并根据所述任务参数数据确定飞行前飞行计划；以及d]基于所述实时内部飞行特性数据和实时外部飞行特性数据来动态实施机器可读飞行控制指令以适应所述起飞前飞行计划而控制所述无人航空机的飞行。
提供改善所述无人航空机飞行自动化的动态可实施的机器可读飞行指令的显著改善了所述无人航空机对现有空域要求的顺从性。特别地，这可能会导致此类无人航空机可在商业控制的空域中操作，而不会给其他航空用户带来风险。优选地，所述至少一个飞行系统可包括以下系统中的至少一个系统：推力控制系统、电梯控制系统、方向控制系统、导航控制系统和通信系统。
此外，所述飞行相关参数可包括以下参数中的至少一项参数：空中交通管制通信、空域控制数据、环境信息数据、任务参数数据、碰撞预测数据、安全着陆信息数据、地理信息数据和有效载荷信息数据。
优选地，所述飞行相关参数可包括所述空中交通管制通信，并且在步骤d]中，根据所述无人航空机确定的空中交通管制的任何变化或即将发生的变化来适应所述起飞前飞行计划。在确定空中交通管制的改变或即将发生的改变时，所述无人航空机随后可寻求更新的空中交通管制通信。
所述无人航空机在进入时或在超过阈值进入受限空域之前与空中交通管制进行接触的能力对于确保所述无人航空机可在所述空域内运行具有重要价值。根据本发明的第五方面，提供了一种自主无人航空机，所述自主无人航空机包括机身、安装至所述机身的至少一个飞行系统、适于控制所述或每个飞行系统的机载飞行控制器、具有机器可读飞行控制指令的存储器存储单元、机载反馈系统，以及外部反馈系统，所述指令可由所述机载飞行控制器实施，所述机载反馈系统与所述飞行系统或每个飞行系统通信联接以向所述机载飞行控制器提供实时内部飞行特性数据，其中，所述机载飞行控制器被布置成从外部来源接收任务参数数据、根据所述任务参数数据确定起飞前飞行计划，并基于所述实时内部飞行特性数据和实时外部飞行特性数据来动态实施所述机器可读飞行控制指令以适应所述起飞前飞行计划而控制所述或每个飞行系统。
现在将参考附图仅以举例的方式更具体地描述本发明，其中：
图1示出了根据本发明的第二方面的自主无人航空机的一个实施例的示意图；
图2示出了图1所示无人航空机的第一指示性飞行计划的示意图；
图3示出了图1所示无人航空机的第一指示性飞行计划的示意图；以及
图4示出了图1的无人航空机的示意图，其中正实施根据本发明的第一方面的方法。
参考图1，示出了一种无人航空机，以10来表示，其能够自主飞行，特别能自主调整飞行前飞行计划。本发明中所讨论的无人航空机10是“超越视线”(BLOS)飞行器，即那些将操作者的视野留在起飞位置的飞行器。特别地，所述无人航空机10旨在属于中高空长寿命无人航空机，它们分别适合于在海拔3000m和50km范围内使用，以及在海拔5500m、160km范围内使用。
无人航空机10包括机身12，该机身可形成为固定翼型机身或多旋翼型机身，其上安装有至少一个且优选地安装有多个不同的飞行系统。在本实施例中，所示无人航空机10具有多旋翼型机身。
直接与机身12相关的飞行系统可包括推力和/或方向控制系统14，例如所示的多旋翼推进单元，从而提供差动推力系统。然而，如上所述，固定翼型的装置可能包括单独的发动机以提供推力，而机翼、襟翼或方向舵则提供方向控制。对于某些无人航空机10，显然可提供除冰系统，例如在机身12上涂层以防止结冰，或可提供气动靴系统以去除冰。在由无人航空机10执行高空飞行任务时，这可能尤其重要。
可通过通信系统16作为无人航空机10的飞行系统，其优选包括无线通信装置，诸如命令、指令或控制信号之类的通信可通过该装置例如从遥控器或空中交通管制发送至无人航空机10。呼出通信装置也可提供作为通信系统16的一部分。优选地，通信系统16将提供加密能力，以例如通过拒绝服务附加、中间人攻击、恶意软件注入攻击或频率干扰来防止对无人航空机10的干扰。可考虑用于无人航空机10的其他网络防御，例如将机载飞行控制器18装在法拉第笼中。优选地，将通信系统16配置成使得机载飞行控制器18可包括通信验证电路。这可被布置成确定到无人航空机10的输入通信信号的真实性。这可包括地理验证标识符和飞行阶段验证标识符，这些标识符可分别确定是否从不期望的地理位置接收到通信信号(例如在与特定本地空中交通管理不相关的通信频率上)，或可确定在无人航空机10的飞行计划的意外阶段是否接收到通信信号。这些方面中的任何一个方面都可指示对通信系统16的敌对攻击，因此，识别和拒绝意外发送的任何命令信号可能有益于无人航空机10的继续操作。还可提供一种飞行系统，其包括导航控制系统20，该导航控制系统可与通信系统16进行通信。导航控制系统20可包括位置定位器，例如GPS定位器，并且可优选地形成为惯性导航系统。内部导航系统可包括定位在机身12上的多个加速度计和/或陀螺仪。
在无人航空机内，导航多样性可能很重要，以防止干扰型攻击。例如，可考虑组合使用GPS/GLONASS/GALILEO 3型的卫星导航系统，和/或在提供惯性导航系统的情况下可使用确认性GPS输入。
此外，可提供射频导航辅助设备，其包括VHF全向无线电测距(VOR)系统、非定向无线电信标(NDB)和测距设备(DME)，该设备基于应答器的无线电导航技术。
优选地，提供了多个不同的导航传感器，且更优选地，导航传感器中的至少一个将是基于卫星的导航传感器(例如GPS)，且至少一个可以是基于非卫星的导航传感器，例如VOR系统。
导航控制系统20还可包括至少一个传感器输入，通过该传感器输入可从无人航空机12的一个或多个传感器22中继信息，和/或该系统还可包括一个或多个数据输入，用于从其他相关源接收信息，例如从通讯系统开始16接收信息。可被认为是无人航空机10的一部分的传感器22的示例可包括光学传感器，例如摄像头或基于激光的传感器(例如LIDAR)，且该传感器22可配备有图像处理软件，例如，用于协助检测无人航空机10的冲突。例如，还可考虑使用听觉感测来接近传感器，这可类似地辅助冲突检测。
其他传感器22可包括障碍传感器，例如基于无人航空机10的轨迹的超声或光学传感器、确定地形问题的雷达高度计、确定接近恶劣天气的天气雷达或预报传感器，和/或确定与其他飞行器的可能冲突的3D建模传感器。
还可提供更多标准的飞机传感器技术作为无人航空机10的机载传感器，例如依赖于自动相关监视广播的传感器(ADS-B)或类似的卫星导航技术。飞机应答器24(例如Mode S设备)也可被认为是传感器22。
其他有意的飞行系统可包括一个或多个用于存储与飞行相关的数据的存储器存储设备24。例如，这可包括标准飞行记录器。其他与飞行有关的数据可包括无人驾驶飞机10的实时功率和/或燃料储备、地形数据、飞行员注意(NOTAM)数据、天气数据、空域数据和/或飞行计划数据。
与飞行有关的数据中的任何一个或全部数据可附加地或替代地由外部来源提供，例如，经由通信系统16中继到无人飞行器10。这对于天气数据和NOTAM数据尤其重要，后者可能比其他类型的航班相关数据更频繁地更新。
上面列出的飞行系统并不旨在是详尽的，并且可提供任何适当的飞行控制、遥测、感测或类似的飞行系统作为无人飞行器10的一部分。
提供了具有机载飞行控制器18的无人航空机10，该控制器与所述或每个飞行系统进行通信。特别地，机载飞行控制器18与推力、升力和/或方向控制系统14联接，以便能够根据需要控制无人航空机10的飞行路径。然而，除了适于可通过外部反馈系统来获得实时外部飞行特性数据(该数据指示位于无人航空机10外部的飞行相关参数)，还可调整机载飞行控制器18以能够通过机载反馈系统获得实时内部飞行特性数据，该数据指示无人飞行器10的至少一个飞行系统。
机载飞行控制器18包括专用处理器26，该处理器能够修改和控制飞行系统的命令功能。处理器26与存储器存储单元28联接，该存储器存储单元可以是机载飞行控制器18的一部分，在其上存储了可由机载飞行控制器18实现的机器可读的飞行控制指令。
机身12上也可能有有效载荷支撑，其形式将取决于无人航空机10所载的有效载荷或有效载荷类型。例如，在商业环境中，有效载荷支撑件可被设计成携带包裹或包裹，最有可能取决于机身12的底架。然而，在军事环境中，有效载荷支架可以是武器架，适于提供一个稳定的基地，例如可从该基地发射导弹。机载飞行控制器18被布置成从外部来源接收任务参数数据(该任务来源可被中继到无人航空机10)，或可在本地进行编程，然后根据任务参数数据确定起飞前飞行计划。机载飞行控制器18然后能够基于实时内部飞行特性数据和实时外部飞行器来动态地实施机器可读飞行控制指令，以适应起飞前飞行计划而控制所述或每个飞行系统。
该任务参数数据可包括以下数据中的至少一项数据：有效载荷信息数据、定位目标、指定目标和航路点信息数据。即该数据可指示无人航空机10的一种或多种任务参数。例如，有效载荷信息数据可包括与有效载荷有关的信息，例如，其重量、任何危险指示器和/或它对无人航空机10的飞行能力的影响，例如有效载荷可能对无人航空机10的空气动力学产生的任何影响。
定位目标可以是无人航空机10的目的地，且可以是区域而不是固定点。航点信息数据可包括有意位置，操作者希望无人航空机10通过例如有意位置飞行以完成次要任务目标或避开特定的禁飞区。相反，指定目标可以是移动目标，例如可能需要被营救和/或以其他方式成为目标的个人，或可以是一组这样的个人，仅作为示例。
实际上，这使得无人航空机10在接收其自身内部或外部的与飞行有关的信息时以及在其接收飞行相关信息时能够自主地控制其飞行。这与本领域中的无人航空机形成鲜明对比，本领域中的无人航空机目前需要来自远程操作者的近乎恒定的输入，尤其是在可能需要解决冲突的情况下。
为了清楚起见，现有的无人航空机可能会积累来自各种来源的信息，尤其是在确定碰撞检测方面。这些来源由通常位于地面上的决策控制器确定优先级确定并进行分析，因此与无人航空机本身的飞行范围间隔开。信息源的各种优先级将保持不变，因为随着检测到新的威胁而改变了碰撞的可能性。这实际上可能导致相对振荡的飞行路径。
在本发明中，机载飞行控制器18的中央处理器在无人航空机10的飞行范围内。这可允许由飞行控制器18的处理器26在机上创建3D飞行计划模型，可对其进行修正以主动避免由无人航空机10确定的即将发生的问题，如下面在一些示例性场景中概述的。
飞行计划的3D计算模型的创建可在基于坐标的系统中表示环境以及无人航空机10本身在3D模型中的位置，即地形和空域，例如在x，y，z坐标或纬度、经度、高度坐标中。这样，3D飞行计划模型可包括分别指示无人航空机10的环境和轨迹的飞行环境模型和飞行轨迹模型。由于处理器重量的增加，执行这种计算所需的处理能力以前在无人航空机上是禁止的。然而，考虑到给定计算能力的处理器26的重量减轻，目前有可能利用轻型飞行控制器18，从而可实现机载处理。改进的算法分析还允许实时或接近实时确定3D飞行计划模型的此类计算。
在3D飞行计划模型中，通过将来自提供位置数据的各种传感器(比如，光学传感器22、射频导航辅助设备或飞机应答器24)的信息进行混合，可提高提供给无人航空机10的位置数据相对于其环境的准确性。
动态数据(如从障碍物传感器22检测到的对象数据)的添加可显著提高3D飞行计划模型的丰富度，因为无人驾驶飞机10的情景感知能力大大提高。基于静态的基于时间的环境数据(例如NOTAM数据或天气数据)进一步改善了3D飞行计划模型。
一旦处理器26已经创建了3D飞行计划模型，则处理器26能够基于在3D飞行计划模型内检测到的物体或障碍物来运行一个或多个预测算法，从而创建时间相关的3D模型。处理器26可优选地使用例如可能导致潜在冲突的模式预测电路、然后使用冲突解决电路确定无人驾驶飞行器10的潜在选项以及选择最适合上下文的加权成功结果来识别时间相关的3D模型内的模式。模式预测电路可利用机器学习来进行模式识别，以便例如通过强化学习来确定冲突。
由冲突解决电路选择的各种选项可基于无人航空机10的操作约束来进行选择，这些约束包括但不限于航空法律、根据操作员和/或任务参数的操作要求以及无人驾驶飞机10类型的飞行原理。将给定的无人航空机10的飞行原理转换成其工作飞行包络线，该飞行包络线是根据诸如升力的公式来计算的。提供了其运行飞行包线能力的机载内部模型，例如失速、从未超过的速度、最高运行天花板、最大升力，并且处理器26可确定无人航空机10可用的选项，并得出加权成功结果，该结果意味着无人航空机10停留在其飞行包线内、采用的路线应尽可能避免冲突以及保持其飞行指令。这只能通过当前的混合传感器方法来确定无人航空机10的环境来实现。
当然，在某些点上，例如在坚持空中交通管制的情况下，可能需要无人航空机10的外部飞行计划偏离。在这种情况下，无人航空机10将不放弃对空中交通控制的控制，而是空中交通控制能够基于可用于无人航空机10的参数向无人驾驶飞机10发出飞行计划修改请求，该请求可被接受或拒绝。例如，空中交通管制可向飞行控制器18提交要求修改飞行计划的请求。然而，无人航空机10可能会意识到，例如，如果其会导致失速，就无法遵守。在这种情况下，无人航空机10可与空中交通管制进行通信以请求不同的指令，或无人航空机10可做出决定以完全避开受控空域。
通过参考示例性飞行计划，可最好地说明这种能力，例如在图2中通常以100表示。无人航空机10将在其起飞点或起始位置130处确定初始飞行计划，优选地以由飞行控制器18生成的3D模型的形式表示。可基于无人航空机10的目的地132以及任何任务目标或优先级目标信息来确定该初始飞行计划。基于无人航空机10与其目的地132之间的已知障碍物，初始飞行计划可能在3D空间中是非线性的。
可上传或中继到无人航空机10的其他相关信息可包括从地面控制远程或本地发送的信息，比如，有效载荷质量、重心、NOTAM信息、当前天气信息或要遵循的指示性初始飞行计划。地面控制发送的任何信息都可通过通信系统16通过加密的通道来发送，并由处理器26在本地解密，以确认发送的任何信息的真实性。该信息中的一些可能最初不可用，因此必须经由飞行中的通信系统16接收。
可将地面控制设想为飞行管理服务器，该飞行管理服务器远离或者实际上是多个自主式无人航空机10，且该飞行管理服务器无线通信地联接至该无人航空机10的外部反馈系统，使得该飞行管理服务器可提供实时外部飞行特征数据的至少一部分，由此可在飞行中形成飞行计划。
基于由机载飞行控制器18确定的初始飞行计划，无人航空机10能够计算初始路线、动力需求、推力和控制设置以及任何其他相关变量。这可用于确定飞行计划的可行性，且处理器26可包括能够测试可行性的验证电路。例如，最初可避免禁飞区的最佳飞行计划因此可创建并绘制为3D飞行计划。
一旦确定，无人航空机10可联系地面控制和/或空中交通管制以确认起飞以及飞行计划的实施。然后，静态和动态航空信息都可用于通知无人航空机10的后续飞行计划。
在所示场景下，无人航空机10开始沿第一方位飞行，直到到达限制的空域134为止，在最初的飞行计划创建时，其可能尚未意识到或不确定如何规避。因此，无人航空机10必须在飞行中对初始飞行计划进行修改。由于飞行很可能使无人航空机10脱离了起始位置130的本地通信范围，所以无人航空机10现在必须能够做出对飞行计划的修改的决定。
在现有配置中，根据预先编程的优先级逻辑，无人航空机将在冲突到达时对冲突做出反应。这通常会导致默认还原为有人为操作员控制。在此情况下，这是不可能的，因此需要在飞行中主动解决冲突。这需要来自多个不同传感器的输入，这些输入将不存在于诸如飞机应答器24的现有无人航空机上，以便允许当前无人航空机10起作用。
无人航空机10能够联系本地空中管制管理机构以请求通过受限空域134的转机。此处，空中交通管理机构已经指示无人航空机10通过最短路径而不是通过其最直接和优选的路径来改变其通过受限空域134的路线。机载控制器18上提供的机器可读飞行控制指令将允许空中交通管理指令请求和/或优先于自主飞行控制，从而允许无人航空机10以安全且顺应的方式飞行。这可通过在飞行中对飞行计划进行修改来实现，例如，通过由飞行控制器18修改3D飞行计划模型来实现。因此，该3D飞行计划模型变为混合的3D飞行计划模型，从而在不冲突控制完全覆盖无人航空机10的飞行计划指令的情况下，维持到目的地132的最佳路线。这样，机载飞行控制器18可被配置为通过确定多个不同的冲突解决方案来修改3D飞行计划模型，最好是通过冲突解决电路，该电路适于同时确定多个不同的飞行计划修订，以尽可能安全的方式避免对现有3D飞行计划模型出现任何冲突或潜在的障碍。
现在，无人航空机利用应急处理程序来选择模块代码段，以响应其传感器或信息源中的一种满足的特定标准。然而，在现有技术中无法实现本发明的混合传感器方法，在该方法中，基于来自多个不同选项的多个传感器输入来选择重量成功结果。
优选地，通常，无人航空机10可通过通信系统16访问加密的通信信道，从而能够在进入受限空域134之前联系当地的空中交通管理机构。与已知的即将到来的本地空中交通管理机构之间的预先联系允许无人航空机10接收与其预期飞行计划有关的空中交通控制通信。这可在不与无人航空机10的原始所有者或运营者直接通信的情况下实现，且因此允许无人航空机10以与无人航空机相比与传统无人航空机更相似的方式进行操作。
无人航空机10可将进入受限空域134的时间延迟到本地空中交通管理机构已经提供空中交通管制通信的时间。这可表现为无人航空机10进行中间绕行和/或在等待响应时进入保持模式。如果响应有延迟，或空中交通管制通信不能令人满意地完成飞行计划，则无人航空机10可修改飞行计划，以采取到达其目的地132的替代路线。在任何情况下，该控制逻辑均可在飞行控制器18上来提供，无人航空机10则不需要向其操作者来寻求指令。
按此方式，无人航空机10能够提示空中交通管制机构以进行有关当地空中法规的更新，这极大地提高了无人航空机10的能力，从而能够在不需要专门和/或连续的人工输入的情况下对其飞行计划进行预先修改。
在无人航空机10撤离受限空域134后，尽管优选地采用其中飞行控制器18基于无人航空机10的所有可用信息来计算到达目的地132的最佳路线的混合3D模型方法，但仍可在必要时重新计算其飞行计划。然后，在途中，无人航空机10可能会发现自己与另一架飞机138处于冲突状况136，例如，它们各自的轨迹重叠并产生了碰撞的可能性。在此情况下，机器可读飞行控制指令的默认值可能将服从有人驾驶飞机138，在这种情况下，机载飞行控制器18将需要计算无人航空机10的偏离路径以防止发生碰撞。
这样的偏离对于自主无人航空机10是一个问题，因为进一步的碰撞事件或危险的飞行操纵可能由此次偏离而引起。这样，机载飞行控制器18可被配置能够确定多个不同的冲突解决方案，最好是通过冲突解决电路，该电路适于同时确定多个不同的飞行计划修正方案，以尽可能安全的方式避免出现任何冲突。例如，一条重新选择路线的选择可能会使无人航空机10通过NOTAM禁飞区，另一条则可能导致城市飞越，这两者都可能是危险的。最安全的选择可能是上升或下降到安全高度，并以此方式避开冲突。对飞行计划的最适当修正方案的选择将根据机器可读飞行控制指令来进行，因此将取决于当前背景。按此方式，无人航空机10能够适应外部飞行特性数据，在这种情况下是潜在的冲突。
在转移之后，无人航空机10可能发现自己与其他障碍发生冲突，而这些障碍本质上是可调节的。此处，所计算出的飞行计划将使无人航空机10越过人口稠密的区域140，这在可能的情况下最好避免。一旦被检测到，无人航空机10则可试图避开人口稠密区域140的飞越，从而绘制最安全的行动路线。
最终，无人航空机10将到达其目的地132。在本情况下，无人航空机10的任务目标是执行侦察，作为搜索和救援任务的一部分。这样，飞行计划可能涉及在较小区域上飞行，以试图有条不紊地确定有意目标的位置。这种任务可通过无人航空机10尤其在敌对地区中保持无线电静默来改善，因此无人航空机10的自主性的重要性是至关重要的。
例如，这可通过使用光学传感器22来识别热模式来执行，该热模式可指示地面上的个人。无人航空机10不必一定在本地处理图像，而是可通过通信系统16与地面控制系统通信。
此处，地面控制可取消无人航空机10的自主控制功能，从而提供只能由远程操作员提供的更多智能功能。
一旦完成任务参数，或放弃任务，则无人航空机10将开始返回轨迹，从而相应地重新计算飞行计划。这可能涉及使用在向外飞行期间收集的历史信息(例如了解受限空域134的存在)来绘制路线。如图2所示，无人航空机10可经其最直接的路线向其初始起飞位置130飞行，然后在知道其存在的情况下尝试绕过受限空域134。
为了确保飞行计划反映无人航空机10的状态，其可具有机载反馈系统，该机载反馈系统与所述或每个飞行系统通信地联接以向机载飞行控制器18提供实时内部飞行特性数据。实际上，这可以是至少燃料和/或功率信息数据到机载飞行控制器18的中继，以确保无人航空机10能够执行由动态适应的飞行计划确定的任何特定机动。
在与预期行为有偏离的情况下，这尤其可能会将无人航空机10的范围限制在一定程度，以致不可能进行完全返回。在该情况下，无人航空机10可确定最佳的正常-故障状态，以使其安全着陆而不会对地面上的人员或财产造成损害，并试图避免对其自身造成损害。可确定替代的着陆位置142，且优选地通过部署诸如降落伞44之类的安全设备或在有足够动力能力的情况下通过受控下降来使无人航空机10着陆于所述位置142。
当与飞行确定传感器22(例如空中数据、GPS和惯性导航系统(例如，该系统允许处理器26做出最佳和/或最坏情况的飞行耐久性预测))一起使用时，无人航空机10的能力的确定可根据环境条件以及位置数据传感器、剩余功率来推断，该环境条件可根据空气数据和外部温度来确定，该剩余功率由无人航空机10的电源确定。
一旦无人航空机10已降落在替代着陆位置142处，如果有能力的话，其随后可通过其通信系统16经由加密的通信将其位置广播到地面控制，地面控制者然后能够完整地挽救无人航空机10。
如图3中以200表示了指示性飞行计划，该计划示出了无人航空机10的其他可能的决策决定过程。
与先前的飞行计划一样，无人航空机10根据由机载飞行控制器18计算出的预定飞行计划从初始位置230起飞。其再次在其初始飞行中遇到受限空域234。图3中的受限空域234的限制程度不如图2所示的程度，因为其允许无人航空机飞行而不是直接从受限空域234中飞出。然而，飞行指令将最有可能由当地空中交通管制机构提供，以确保无人航空机10根据当地条件飞行。因此，可将这些飞行指令作为由飞行控制器18管理的3D飞行计划模型的一部分来输入，并可基于对飞行计划进行的修改方案来重新计算3D飞行计划模型的后续部分。
在从受限空域234离开时，可能存在危险地形246要进行导航，该地形可由无人航空机10上的传感器22直接检测到，或者可作为地理信息预先编程到机载飞行控制器18。导航控制系统20可能能够例如经由全球定位卫星导航来关联无人航空机10的确定位置，以确定是否存在由危险地形246构成的风险。
在许多情况下，例如在结冰、雷暴、强风或大雨、电气干扰、其他地理因素或NOTAM受限空域等恶劣天气情况下，都可考虑与飞行计划有类似的偏离。
在任何情况下，无论无人航空机10在危险地形246上的过境如何，机载飞行控制器18都会重新计算飞行计划，以确定通往目的地232的路线。
再次，与有人驾驶飞机238之间的任何冲突可通过感测或以其他方式确定其他飞机238的存在并相应地校正飞行计划来克服。
在其初始目的地232处，无人航空机10可在重定向到第二目的地248以执行第二任务目标之前承担第一任务目标，该第一任务目标可以是侦察任务。可通过提供来自任务命令或地面控制的航点信息来设置目的地之间的差异，从而提供向无人航空机10提供多方面目标的能力。
一旦达到某些任务阈值或失败，无人航空机10就可返回其起飞点230。在此情况下，不需竭力规避受限空域234。无人航空机10沿直接路线到达起飞点230。
在进入受限空域234时，本地空中交通管制机构可向无人航空机10提供指令以确保其符合受限空域234的规则。这样，无人航空机10的动力就会被耗尽，并在从受限空域234退出时确定其无法完成其返回行程。
这样，机载飞行控制器18确定可进行的最安全的正常-故障操作，这不仅限制了对无人航空机的损坏，还限制了对地面上的人员或财产造成损害的可能性。在该情况下，发现了一个替代的着陆位点242。
图4说明了在故障情况下确保安全的指示性方法。鉴于其可获得的信息，无人航空机10将利用机载飞行控制器18来确定一组可能的正常-故障操作。此次，三种可能的正常-故障场景由机载飞行控制器18来确定。
优选地，无人航空机10将尝试分析可用的各种选项，并连续更新至少一种且最好是至少三种激活正常-故障操作的方案。
在第一种场景下，如350所示，计算出灾难性的故障情况，其中着陆位置处于危险地形中，几乎可肯定无人航空机在坠毁时被摧毁。这种场景显然不是理想的，因此可基于处理器26的计算将其优先级降低。
在第二种场景下，如352所示，无人航空机10可能能够执行更受控的下降，但要在人口稠密或有人居住的区域进行。在该情况下，地面人员受到的危险将很高，尤其是在无人航空机10的任何飞行关键系统出现故障的情况下。再次，处理器26的排序电路由于其固有的危险性而可能使该场景的优先级降低。
在第三种场景下，如354所示，无人航空机能够在人口稀少的地区削减推力，而是启动降落伞44。这种下降速度很慢，但是方向控制可能会受到限制。然而，在无人航空机10可用的三种情况中，这种选择似乎是可取的。
处理器26的排序电路能够评估无人航空机10可用的各种选项的适合性，同时为了限制人员、财产和无人航空机10本身的风险，机载飞行控制器18相应地选择并实施最佳的正常-故障操作。
根据无人航空机10的使用，可相应地加权各种因素的相对重要性。在大多数场景下，预计地面安全是最重要的问题。然而，在战区，无人航空机的安全和/或销毁可能更为重要，以防止其落入敌手。
因此，有可能提供一种具有控制功能的无人航空机，该无人航空机通过提供用于做出与人类飞行员相同的飞行中决策的装置，从而使其能够在受控空域的范围内安全地操作。这样，与现有航空参数发生冲突的可能性得以缓解，无人航空机能够以安全和受控的方式自主地运行，而无需持续的地面接触，这可通过学习的决策处理来实现。
当在本文中参考本发明使用时，词语“包括/其包括”以及词语“具有/包括”用于指定所陈述的特征、整体、步骤或部件的存在，但不排除存在或添加一个或更多其他特征、整体、步骤、部件或其组合。
可以理解的是，为清楚起见，在单独的实施例的上下文中描述的本发明的某些特征也可在单个实施例中以组合形式提供。相反地，为简洁起见，在单个实施例的上下文中所述的本发明的各种特征也可以单独提供或以任何合适的子组合提供。
上面所述实施例仅作为示例提供，并且在不脱离本文描述和限定的本发明的范围的情况下，各种其他修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的。

Claims (27)

1.一种自主无人航空机(10)，其特征在于，所述自主无人航空机包括：
机身(12)；
至少一个飞行系统，所述至少一个飞行系统安装至所述机身(12)；
机载飞行控制器(18)，所述机载飞行控制器适于控制所述或每个飞行系统；
存储器存储单元，所述存储器存储单元具有机器可读飞行控制指令，所述机器可读飞行控制指令可由所述机载飞行控制器(18)实施；
机载反馈系统，所述机载反馈系统与所述或每个飞行系统通信联接以向所述机载飞行控制器(18)提供实时内部飞行特性数据；
导航控制系统，所述导航控制系统包括多个不同的导航传感器；以及
外部反馈系统，所述外部反馈系统适于从所述机载飞行控制器(18)接收并向所述机载飞行控制器提供实时外部飞行特性数据，所述外部反馈系统包括至少一个机载传感器，用于确定实时外部飞行特性数据；
其中，所述机载飞行控制器(18)被布置成从外部来源接收任务参数数据、根据所述任务参数数据和所述导航控制系统确定起飞前飞行计划，并基于所述实时内部飞行特性数据和实时外部飞行特性数据来动态实施所述机器可读飞行控制指令以适应所述起飞前飞行计划而控制所述或每个飞行系统；并且
其中，所述机载飞行控制器(18)还包括冲突解决电路，所述冲突解决电路适于响应于对潜在冲突的检测而同时计算出多个飞行计划修正方案，所述冲突解决电路优先选择和实施所述多个飞行计划修正方案中的一个飞行计划修正方案。
2.根据权利要求1所述的自主无人航空机(10)，其特征在于，所述至少一个飞行系统包括以下系统中的至少一个系统：推力控制系统、电梯控制系统、方向控制系统、导航控制系统和通信系统(16)。
3.根据权利要求2所述的自主无人航空机(10)，其特征在于，提供所述通信系统(16)，所述机载飞行控制器(18)包括通信验证电路，用于验证到所述自主无人航空机(10)的输入通信信号的真实性。
4.根据权利要求3所述的自主无人航空机(10)，其特征在于，所述通信验证电路包括以下标识符中的至少一个标识符：地理验证标识符和飞行阶段验证标识符。
5.根据前述权利要求中任一项所述的自主无人航空机(10)，其特征在于，所述多个不同的导航传感器包括至少一个卫星导航传感器和至少一个非卫星导航传感器。
6.根据前述权利要求中任一项所述的自主无人航空机(10)，其特征在于，所述实时外部飞行特性数据指示一个或多个飞行相关参数，所述飞行相关参数包括以下参数中的至少一项参数：空中交通管制通信、空域控制数据、环境信息数据、任务参数数据、碰撞预测数据、安全着陆信息数据、地理信息数据和有效载荷信息数据。
7.根据前述权利要求中任一项所述的自主无人航空机(10)，其特征在于，所述任务参数数据包括以下数据中的至少一项数据：有效载荷信息数据、定位目标、指定目标和航路点信息数据。
8.根据前述权利要求中任一项所述的自主无人航空机(10)，其特征在于，还根据初始内部飞行特性数据和/或初始外部飞行特性数据确定所述飞行前飞行计划。
9.根据前述权利要求中任一项所述的自主无人航空机(10)，其特征在于，还根据预定默认飞行计划信息数据确定所述飞行前飞行计划。
10.根据权利要求9所述的自主无人航空机(10)，其特征在于，所述预定默认飞行计划信息数据包括以下数据中的至少一项：地理信息数据、空域信息数据和预组织空域限制信息数据。
11.根据前述权利要求中任一项所述的自主无人航空机(10)，其特征在于，所述自主无人航空机还包括排序电路，所述排序电路用于优先选择和实施多个正常-故障操作中的一种。
12.根据前述权利要求中任一项所述的自主无人航空机(10)，其特征在于，所述或每个机载传感器包括以下器件中的至少一个：摄像头、激光传感器、接近传感器、自动相关监视–广播(ADS-B)传感器和卫星导航传感器。
13.根据前述权利要求中任一项所述的自主无人航空机(10)，其特征在于，所述机载飞行控制器(18)基于所述起飞前飞行计划和所述多个飞行计划修正方案生成3D飞行计划模型。
14.根据权利要求13所述的自主无人航空机(10)，其特征在于，基于来自所述多个不同的导航传感器和所述或每个机载传感器及/或一个或多个数据库的混合输入确定所述3D飞行计划模型。
15.根据权利要求13或14所述自主无人航空机(10)，其特征在于，所述3D飞行计划模型包括飞行环境模型和飞行轨迹模型。
16.根据前述权利要求中任一项所述的自主无人航空机，其特征在于，所述冲突解决电路利用机器学习加权结果决策算法来对所述多个飞行计划修正方案中的一个飞行计划修正方案进行优先级排序和选择。
17.一种无需连续飞行中人类输入而控制无人航空机(10)飞行的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a]获得实时内部飞行特性数据，所述实时内部飞行特性数据指示所述无人航空机(10)的至少一个飞行系统；
b]获得实时外部飞行特性数据，所述实时外部飞行特性数据指示位于所述无人航空机(10)外部的飞行相关参数；
c]所述无人航空机接收任务参数数据，并根据所述任务参数数据确定飞行前飞行计划；
d]基于所述实时内部飞行特性数据和实时外部飞行特性数据来动态实施机器可读飞行控制指令以适应所述起飞前飞行计划而控制所述无人航空机(10)的飞行；
e]由冲突解决电路响应于对潜在冲突的检测而同时计算出多个飞行计划修正方案；以及
f]优先选择和实施所述多个飞行计划修正方案中的一个飞行计划修正方案。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述至少一个飞行系统包括以下系统中的至少一个系统：推力控制系统、电梯控制系统、方向控制系统、导航控制系统和通信系统。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其特征在于，所述飞行相关参数包括以下参数中的至少一项参数：空中交通管制通信、空域控制数据、环境信息数据、任务参数数据、碰撞预测数据、安全着陆信息数据、地理信息数据和有效载荷信息数据。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述飞行相关参数包括所述空中交通管制通信，并且在步骤d]中，根据所述无人航空机确定的空中交通管制的任何变化或即将发生的变化来适应所述起飞前飞行计划。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，在确定空中交通管制的改变或即将发生的改变时，所述无人航空机(10)寻求更新的空中交通管制通信。
22.一种向无人航空机提供自动正常-故障操作的方法(10)，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a]获得实时内部飞行特性数据，所述实时内部飞行特性数据指示所述无人航空机(10)的至少一个飞行系统；
b]获得实时外部飞行特性数据，所述实时外部飞行特性数据指示位于所述无人航空机(10)外部的飞行相关参数；
c]基于所述实时外部飞行特性数据来使用所述无人航空机(10)的机载飞行控制器确定用于所述无人航空机(10)的多个不同的正常-故障操作；
d]响应于所述实时外部飞行特性数据的变化而更新所述多个不同的正常-故障操作；
e]基于所述实时内部飞行特性数据来确定可触发的正常-故障状况；以及
f]在触发了所述正常-故障状况的情况下，根据所述实时外部飞行特性数据和所述机载飞行控制器的机器可读飞行控制指令来选择和实施所述无人航空机的所述多个不同的正常-故障操作中的一个正常-故障操作。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述至少一个飞行系统包括以下系统中的至少一个系统：推力控制系统、电梯控制系统、方向控制系统、导航控制系统和通信系统。
24.根据权利要求22或23所述的方法，其特征在于，所述飞行相关参数包括以下参数中的至少一项参数：空中交通管制通信、空域控制数据、环境信息数据、任务参数数据、碰撞预测数据、安全着陆信息数据、地理信息数据和有效载荷信息数据。
25.根据权利要求22至24中任一项所述的方法，其特征在于，所述多个正常-故障操作包括：指示第一安全着陆状况的第一正常-故障操作、指示第二安全着陆状况的第二正常-故障操作，以及在所述至少一个飞行系统出现灾难性故障的情况下指示安全着陆状况的第三正常-故障操作；所述机载飞行控制器具有排序电路，所述排序电路用于在步骤f]中优先选择和实施所述第一、第二和第三正常-故障操作。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，在步骤e]中，如果触发了所述正常-故障状况，则所述无人航空机(10)动态实施所述机器可读飞行控制指令以控制所述至少一个飞行系统来实施所述第一、第二和第三正常-故障操作中优先选择的一个正常-故障操作。
27.根据权利要求22至26中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤f]中，所述选择的正常-故障状况可由所述无人航空机(10)的远程用户覆写。
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